有機太陽能電池（OSCs）因其輕質(zhì)、柔性及半透明等優(yōu)異特性，在可穿戴電子、光伏建筑/農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，非富勒烯受體的快速發(fā)展極大地推動了OSCs性能的提升。對于受體分子而言，其光電惰性的側(cè)鏈對于調(diào)控共軛骨架自組裝及相分離具有重要作用。然而，常規(guī)烷基側(cè)鏈和芳基側(cè)鏈難以有效平衡材料的結(jié)晶性和組分間兼容性，導(dǎo)致相分離不理想。
為解決這個問題，青島能源所先進有機功能材料與器件研究組在之前的研究中提出了“側(cè)鏈外圍功能化”的設(shè)計理念：通過在共軛骨架上的柔性鏈段外圍引入功能基團，協(xié)同電子效應(yīng)和位阻效應(yīng)，可有效解決結(jié)晶性與兼容性不平衡的矛盾。該設(shè)計策略兼具普適性和多功能性，已被國內(nèi)外多個研究團隊采納，并在高效穩(wěn)定有機光伏的研究中發(fā)揮著重要作用。
此前研究主要采用苯基作為外圍功能基團調(diào)控有機共軛分子的聚集態(tài)。苯基作為一種整體呈現(xiàn)弱電負(fù)性的共軛基團，其更多發(fā)揮位阻作用，調(diào)節(jié)分子自組裝，同時作為共軛平面參與分子間π-π作用構(gòu)建及空間超共軛效應(yīng)。為了進一步明確描述分子外圍強電子效應(yīng)的功能特性，研究團隊引入具有強電負(fù)性的苯并三氮唑（BTz）進行外圍功能調(diào)控，并基于一鍋法得到了兩類BTz異構(gòu)體（圖1）。研究結(jié)果不僅證實了外圍基團對分子堆積、給受體相互作用及共混形貌的多重影響，還揭示了外圍缺電子基團通過分子內(nèi)相互作用誘導(dǎo)主骨架電子云分布重排，進而顯著調(diào)控異質(zhì)結(jié)能量景貌及非輻射能量損失（ΔEnr）的作用機制。由于ΔEnr的顯著差異（0.30 eV vs 0.22 eV），兩個外懸異構(gòu)化的受體分子YBTz-1和YBTz-2表現(xiàn)出明顯不同的光伏性能（14.7% vs 19.1%）。同時，YBTz-2受體的低非輻射能損特性使其在多組分器件中具有很好應(yīng)用。將YBTz-2進行摻雜后，可以在保持開路電壓基本不變的前提下，顯著改善三組分異質(zhì)結(jié)的納米形貌，同時提高器件的短路電流密度和填充因子，實現(xiàn)了19.9%的高轉(zhuǎn)換效率。
分子外圍強電子效應(yīng)功能基團異構(gòu)化研究
此外，研究還發(fā)現(xiàn)外圍功能基團介導(dǎo)的受體結(jié)晶動力學(xué)和活性層相分離動力學(xué)的同時優(yōu)化，降低了YBTz-2器件活性層的缺陷態(tài)密度和亞穩(wěn)態(tài)分布，提高了光伏電池的長期穩(wěn)定性，光伏器件在連續(xù)加熱工況下T80%超過2000小時。相關(guān)研究不僅拓展了外圍基團的功能特性，還為解決有機光伏的效率瓶頸-非輻射能量損失過高提供了重要參考。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在Energy & Environmental Science期刊。論文第一作者為博士生王曉寧，通訊作者為包西昌研究員、李永海副研究員及畢富珍助理研究員。本研究得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、及山東能源研究院專項基金等項目資助。
